如何計算 CPU 占用率？

簡單來說，進程的 CPU 占用率指的是 CPU 有多少時間花費在了運行進程上。在 Linux 系統里，進程運行的時間是以jiffies[1]統計的，通過計算jiffies * HZ，就可以得到進程消耗的 CPU 時間，再除以 CPU 的總時間，就可以得到進程的 CPU 占用率：jiffies * HZ / total_time。

ps 和 top 的不同之處

ps和top是最常用的兩種查看 CPU 占用的方式，都可以用來快速找到當前 CPU 占用率高的進程。但實際上這兩個工具的統計方式是完全不同的。

我們用下面這個簡單的 Go 程序來測試這兩個工具的差別：

(相關資料圖)

package mainimport ("bytes""fmt""strconv""sync""time")var testData = []byte(`testdata`)func testBuffer(idx int) {  m := map[string]*bytes.Buffer{}  for i := 0; i < 100; i += 1 {    buf, ok := m[strconv.Itoa(i)]    if !ok {      buf = new(bytes.Buffer)    }    for j := 0; j < 1024; j += 1 {      buf.Write(testData)    }    m[strconv.Itoa(i)] = buf  }  fmt.Println("done, ", idx)  wg.Done()}var wg sync.WaitGroupfunc main() {for i := 0; i < 10; i += 1 {wg.Add(1)j := igo testBuffer(j)}wg.Wait()fmt.Println("sleeping")time.Sleep(time.Hour)}

然后我們運行這個程序，通過top和ps aux分別查看進程的 CPU 占用情況。

top -n 1:

PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND39753 infini    20   0 14.663g 0.014t   1200 S 611.1 22.2   0:23.53 test-cpu

ps aux:

USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMANDinfini   39881  767 39.1 26505284 25791892 pts/16 Sl+ 07:04   0:38 ./test-cpu

可以看到，ps和top統計的 CPU 占用率是近似的（由于時間點并不完全吻合，統計值也會有輕微差別）。兩個工具的差異體現在testBuffer結束后，top統計的 CPU 占用率已經接近于 0，但是ps依然統計到很高的 CPU 占用率：

USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMANDinfini   39881 82.3 42.4 28638148 27953532 pts/16 Sl+ 07:04   0:40 ./test-cpu

為什么 ps 和 top 的統計值會有差異？

這兩個工具的差異來自于各自運行方式的不同：top 只能持續運行一段時間，而 ps 是立刻返回的。這個差異體現在運行top -n 1和ps aux時，top是延遲后返回的，而ps是立刻返回的。這兩種不同的運行方式就會反映在兩個工具的統計算法上。

文章開頭我們提到，Linux 的 CPU 時間是按照jiffies統計的，考慮到效率問題，Linux 只會統計總值，不會記錄歷史數據。對于 ps來說，由于只能統計到瞬時值，這個瞬時值的統計算法就必然拿不到實時的 CPU 占用率，因為實時的占用率需要通過 (current_cpu_time - last_cpu_time) / time_duration來得到，ps只能統計一次，所以time_duration為0，也就無法計算這個占用率。實際上，ps統計的是整個進程運行周期內的 CPU 占用率[2]：

(total_cpu_time / total_process_uptime)

對于測試程序這種短時間的占用率上升，剛開始的時候 ps能夠統計到近似準確的平均 CPU 占用率，但是 cpu 占用恢復后，ps的統計值并不會立刻下降，而是會隨著進程運行時間total_process_uptime的增加緩慢下降。

top命令不同， top是通過持續運行來更新 CPU 占用率統計的。-n 1這個參數指定 top運行一個迭代后退出，top命令就可以通過這個延遲來可以完成一個迭代內的 CPU 占用率統計：

(current_cpu_time - last_cpu_time) / iteration_duration

如何持續監控 CPU 占用率？

通常來說，監控系統分為采集和統計兩個不同的組件，采集組件只會采集指標數值，統計功能通過數據庫/Dashboard 來實現。要監控 CPU 占用率，ps是一個非常符合采集組件行為的統計方式，每次采集都可以拿到“當前”的 CPU 占用率。但是受限于算法本身的統計方式，我們實際采集到的是平均 CPU 占用率，無法反映進程的實時狀態。

以 INFINI Console為例，我們運行一個短時間的數據遷移任務負載，然后查看對應 INFINI 網關實例的 CPU 占用監控（payload.instance.system.cpu，通過ps方式統計當前 CPU 占用率）。可以看到，CPU 占用率會以一個曲線上升，在任務結束后會緩慢下降：

如果想持續監控實時 CPU 占用率，我們就需要借鑒top的統計方式，采集原始的進程 CPU 時間，進而通過聚合數據來計算 CPU 占用率。

在 Linux 系統下，ps和top命令都會通過/proc/[PID]/stat提供的信息來計算 CPU 占用率[2]：

##  Name      Description14  utime     CPU time spent in user code, measured in jiffies15  stime     CPU time spent in kernel code, measured in jiffies16  cutime    CPU time spent in user code, including time from children17  cstime    CPU time spent in kernel code, including time from children

獲取到每個采樣時間的進程信息后，我們就可以通過這個公式來計算采樣周期內的 CPU 占用率：

delta(cpu_time) / delta(timestamp)

在 INFINI Console，我們可以通過deriative函數來計算payload.instance.system.user_in_ms和payload.instance.system.sys_in_ms相對于timestamp的占比，進而得到準確的 CPU 占用率統計。

這樣，我們就可以統計到網關在運行任務負載前后的實時 CPU 占用率：

總結

雖然top和ps都可以統計 CPU 占用率，但統計算法卻完全不同。了解這兩種算法的底層原理之后，我們就可以設計出適合監控系統的數據采集和數據統計方式，采集到準確的 CPU 占用率。

參考JiffiesTop and ps not showing the same cpu result